基于有功无功协调优化的输电网电压双层控制方法

1.本发明涉及电力系统运行控制技术领域，具体涉及一种基于有功无功协调优化的输电网电压双层控制方法。


背景技术：

2.随着我国经济的高速发展，经济结构日益表现出速度变化、结构优化、动力转换等特点。我国的目标是建成一个发达的经济体，因此经济发展模式需要进行转型。为响应国家对于经济平稳转型与发展的号召，我们应该聚焦于能源领域的经济浪费问题。发输电环节作为国家供电事业的基础，在新的经济形势下，对其进行合理规划调度的研究显得尤为重要。
3.对于有功无功联合调度的方法，国内外多年来已经有了一些研究成果积累。根据各类研究成果，已有多种涉及有无功联合调度的申请专利。专利cn111416395a“一种多级电网嵌套分解协调有功无功联合调度方法”提出一种多级电网嵌套分解协调有功无功联合调度方法。首先提出多级电网协同的有功无功联合调度模型，在各级电网之间采用嵌套分解协调的方式求解各级电网协同的有功无功联合调度模型，并基于最优解，对全部层级全部区域电网进行有功无功联合调度。其关键步骤是：分解协调计算某级中某区域电网与其下属电网的有功无功联合调度最优解、计算某级中某区域电网的最优割平面与近似投影函数，这两个步骤之间互相递归调用，实现各级电网协同的有功无功联合调度模型的分解协调计算。
4.专利cn109274134b“一种基于时间序列场景分析的主动配电网鲁棒有功无功协调优化方法”提出了一种基于时间序列场景分析的主动配电网鲁棒有功无功协调优化方法。首先建立主动配电网有功无功协调优化确定性模型；然后对不确定因素进行分析和场景生成，再用聚类方法进行相似场景的聚类；建立两阶段鲁棒优化模型,将原问题转化为只包含主问题的单目标函数模型进行求解；采用两阶段鲁棒优化模型对主动配电网进行协调控制。在建模过程中考虑了主动配电网中由分布式电源出力和负荷波动带来的不确定性因素，通过不确定集的方式来表征系统不确定性，提高了系统运行的稳定性和可靠性。
5.专利cn106953359b“一种含分布式光伏配电网有功无功协调优化控制方法”提供了一种基于模型预测控制进行配电网有功无功协调优化控制的方法。首先从不同时间尺度出发，将配电网系统控制过程分为快时间尺度、慢时间尺度，根据不同设备控制特性，建立快时间尺度优化模型和慢时间尺度优化模型；再根据二阶锥松弛将两个时间尺度的优化控制问题转化为二阶锥规划问题，其中快时间尺度优化控制采用多步滚动优化求解各可控装置的有功无功出力，慢时间尺度优化控制以长时间尺度的优化控制模型的求解结果作为基准值,继续滚动求解各装置的出力增量值。
6.但是上述传统的方法存在以下缺陷：
7.1、当前有、无功耦合调度主要应用于配电网，在输电网中的很少考虑有、无功耦合调度。
8.2、控制对象要考虑安全性和经济性等多个方面特性，部分控制目标之间存在冲突。在决策角度上，不能较好的解决有功无功调度间的矛盾。
9.3、单层模型的有功无功联合调度既不能很好地兼顾优化目标的经济性和安全性，又不能协调好电力系统内部各种时间常数各异的设备。


技术实现要素：

10.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于有功无功协调优化的输电网电压双层控制方法。
11.本发明提供的一种基于有功无功协调优化的输电网电压双层控制方法，包括如下步骤：
12.s101，构建输电网可调度资源的有功无功耦合模型，分析可再生能源、储能设备、无功补偿装置的有功无功出力特性；
13.s102，构建线路网架的交流潮流方程，并通过二阶锥松弛的方法将非凸的潮流约束转化为可以求解的二阶锥约束；
14.s103，将s101构建的可调度资源的有功无功耦合出力限制与s102松弛得到的线路交流潮流限制相结合，以各节点电压偏差最小化与调度成本最小化为目标函数，求解一个多目标函数的混合整数二阶锥优化问题，得到各设备的出力值；
15.s104，考虑各调度资源的响应时间特性，构建多时间尺度双层电压控制模型，通过日前前瞻调度与日内滚动优化相结合，实现输电网电压的控制。
16.进一步地，所述的步骤s101中的有功无功耦合模型包括：构建风电光伏的有功无功耦合模型；构建无功补偿装置的有功无功耦合模型；构建储能设备的有功无功耦合模型。
17.进一步地，所述s102构建交流潮流方程约束的具体步骤包括：1)建立交流潮流的bfm模型；2)通过二阶锥松弛的方法转化非凸限制；3)通过松弛的相角约束保证潮流解的唯一性。
18.进一步地，所述s103中输电网电压控制的目标函数如下：
[0019][0020]
其中，α，β，γ为成本系数，u
j
为节点j的电压，u
ref
为该节点的参考电压；c
e
为机组成本函数；c
bess
为储能设备的成本，c
q
为无功补偿装置的成本；约束条件包括发电机组出力约束、储能设备出力约束、潮流约束、安全运行约束、无功补偿约束以及机组组合约束。
[0021]
进一步地，所述s104构建的多时间尺度双层电压控制模型具体内容：上层控制模型以经济最优为目标，在慢时间尺度上求解多目标函数下的经济最优问题，保证机组和储能设备出力的经济性，实现日前预调度；下层控制模型为电压控制层，在快时间尺度上控制区域的电压偏差最小，同时保证控制量与上层控制模型的控制偏差最小，根据实时负荷以及可再生能源出力修改机组和储能设备，保证电压的安全性。
[0022]
进一步地，所述上层控制模型时间分辨率为1h，其目标函数如下：
[0023]
[0024]
其中，c
e
为机组成本函数；c
bess
为储能设备的成本，c
q
为无功补偿装置的成本。α为电压偏差系数，u
j
为中枢母线j的电压值，u
ref
为电压的参考值；上层约束条件包括发电机组出力约束、储能设备出力约束、潮流约束、安全运行约束。
[0025]
进一步地，所述下层控制模型为日内滚动时窗优化，采用模型预测控制的方法，优化的目标函数为电压偏差最小与控制设备的有功无功调节量最小，下层控制模型时间分辨率为5min，下层控制模型目标函数如下：
[0026][0027]
其中，w
p
为电压偏差的权重系数，u
n
为各节点电压；δp
gen，i
，δq
gen，i
为发电机组的有功与无功相比于日前调度层的出力变化量，pt为控制时域时窗的大小；下层约束条件包括电压范围约束、发电机出力变化量约束、储能设备出力变化量约束、功率变化量平衡约束，其余约束和上层控制模型相同，注意日内机组只参与电压调整，其启停不受影响；无功补偿设备不参与日内模型。
[0028]
进一步地，所述下层控制模型具体滚动优化步骤为：
[0029]
1)在t时刻求解[t,t+pt
‑
1]时段的下层电压控制问题，使电压尽量接近参考电压，同时有、无功出力的变化量尽量小；
[0030]
2)输出预测时域时刻t的有、无功分配量；
[0031]
3)更新系统数据，包括当前机组有、无功出力值以及负荷波动和可再生能源出力波动预测值；
[0032]
4)令t＝t+1，重复步骤1)到步骤3)。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0034]
(1)本发明将交流潮流方程的二阶锥松弛方法扩展到输电网中，实现输电网的电压控制。
[0035]
(2)本发明考虑机组组合问题，无功补偿装置与交流潮流方程的相结合，构建混合整数二阶锥优化问题并进行求解。
[0036]
(3)本发明考虑各调度设备的响应时间特性，通过日前前瞻与日内实时滚动的双层有功无功联合优化，实现多时间尺度的下的电压控制。
附图说明
[0037]
图1为本发明的流程示意图；
[0038]
图2为本发明电压双层控制的算法流程图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0040]
如流程图1所示，一种基于有功无功协调优化的输电网电压双层控制方法，通过双层递进优化，从而应对负荷和可再生能源出力的不确定性，将电压控制在合理的范围内，主要包括以下步骤：
[0041]
步骤s101，构建输电网可调度资源的有功无功耦合模型，分析可再生能源、储能装置、无功补偿装置的有功无功出力特性，本实施方式，根据发电机组和储能设备的有、无功出力情况，建立含发电机组和储能设备的有功无功耦合调度模型。如下所示：
[0042]
1、发电机组出力模型
[0043][0044]
其中，为发电机组i的最大视在功率；q
gen，i
为发电机组发出的无功功率。
[0045]
2、储能设备出力模型
[0046][0047][0048]
d
ch，i
(t)+d
dis，i
(t)≤1
[0049][0050][0051]
式中：p
ch，i
表示储能设备的充电功率；p
dis，i
表示储能设备的放电功率；d
ch，i
为表示充电过程状态0
‑
1变量：取值为1时，储能处于充电过程；d
dis，i
为表示放电过程状态0
‑
1变量，取值为1时，储能处于放电过程；储能设备在同一时刻不能既处于充电又处于放电状态；和分别表示储能系统最大充电功率和最大放电功率；e
soc，i
表示储能设备当前时刻的荷电状态，则表示储能设备的最大容量；η
ch，i
和η
dis，i
分别表示储能的充点效率和放电效率，δt代表储能的充放电的时间间隔。
[0052]
由于受逆变器容量的限制，因此引入视在功率约束。
[0053][0054]
其中，q
ess，i
为节点i处储能设备注入无功功率，为节点i处储能逆变器的最大视在功率。
[0055]
步骤s102，构建线路网架的交流潮流方程，并通过二阶锥松弛的方法将非凸的潮流约束转化为可以求解的二阶锥约束。二阶锥松弛，二阶锥转化可以将复杂的优化模型转化成锥模型，把具有复杂关系的变量以特殊结构的锥集表示，简化了原模型的求解。在这个步骤中主要针对两类约束条件进行了二阶锥近似。
[0056]
二阶锥规划的标准形式为
[0057][0058]
式中：f(x)为目标函数；变量x∈r
n
，系数常量b∈r
m
；a
m
×
n
∈r
m
×
n
；c为如下形式的二阶锥或旋转二阶锥。
[0059][0060][0061]
1)视在功率约束二阶锥松弛：
[0062]
对于交流最优潮流方程，包括两种限制条件，即功率平衡和欧姆定律：
[0063][0064][0065]
首先利用z
ij
＝r
ij
+ix
ij
，s
ij
＝p
ij
+iq
ij
将实部与虚部进行分离，之后采用变量替换，即采用和分别表示节点电压幅值的平方和支路电流幅值的平方，即：
[0066][0067]
替换后，潮流方程如下所示。
[0068][0069]
最后进行凸松弛处理，将系统潮流约束式上式中的(6)松弛中的等号改成大于等于号：
[0070][0071]
再进行等价变形，化成标准二阶锥的形式：
[0072][0073]
2)功率耦合约束二阶锥松弛
[0074]
将发电机和储能设备的有、无功出力耦合约束化成标准的二阶锥形式，如下所示：
[0075][0076][0077][0078]
步骤s103，多目标优化实现输电网的电压控制：将s101构建的可调度资源的有功无功耦合出力限制与s102松弛得到的线路交流潮流限制相结合，以各节点电压偏差最小化
与调度成本最小化为目标函数，求解一个多目标函数的混合整数二阶锥优化问题，得到各设备的出力值。
[0079]
发电机组总成本如下：
[0080][0081]
其中，g为发电机的总数，a
i
，b
i
，c
i
为发电机的成本系数，p
gen，i
(t)为第i台机组在t时刻的发电量。
[0082]
储能总成本如下：
[0083][0084]
其中，gs为储能设备的总数，a
i
，b
i
，c
i
为储能设备的成本系数，p
bess，i
(t)为第i台储能装置在t时刻的充电，放电量。
[0085]
无功补偿成本如下：
[0086][0087]
其中，c
q
为单位无功补偿成本；q
m
为每个无功补偿装置补偿的无功量，m为无功补偿装置的总数。
[0088]
输电网电压控制的目标函数为最小化发电机，储能设备和无功补偿装置的成本，以及各节点的电压偏差：
[0089][0090]
其中，α，β，γ为成本系数，u
j
为节点j的电压，u
ref
为该节点的参考电压。约束条件包括发电机组出力约束、储能设备出力约束、潮流约束、安全运行约束、无功补偿约束以及机组组合约束。
[0091]
1.潮流约束
[0092]
经过二阶锥优化的misocp潮流模型如下式所示。
[0093][0094]
式中，p
ij，t
，q
ij，t
分别为t时刻支路ij的首端有功功率和无功功率；p
jk，t
，q
jk，t
分别为注入节点j的净有功功率和净无功功率；p
d，j，t
和q
d，j，t
分别为节点j的有功负荷和无功负荷；为节点j处电压幅值；为支路ij的电流；r
ij
和x
ij
分别为支路ij的电阻和电抗；
p
ch，j，t
表示节点j处储能设备充电功率，p
dis，j，t
表示节点j处储能设备放电功率；q
ess，j，t
表示节点j处储能设备发出的无功功率；q
m，j，t
为无功补偿装置的出力。以上公式适用于辐射状电网中，对于闭式输电网，还需要考虑电压相角的限制。
[0095][0096]
其中，θ
i
为节点i处电压的相角，p
ij
，q
ij
分别为支路ij上的有功无功，为节点i，j处的电压，为了保证优化问题的线性，一般视为常数。
[0097]
2.安全运行约束
[0098]
在电力系统运行过程中，系统需要满足节点电压安全约束和支路电流安全约束，以及机组有功出力最大最小值约束。
[0099][0100]
式中，和分别为节点n电压幅值最大值和最小值；为流过支路l的电流的最大值。
[0101]
3.机组组合约束
[0102][0103]
式中，r
g,i
为各个发电机组的备用功率；r
t
为总的备用功率约束；v
g,i
为0
‑
1变量，表示发电机组处于启动状态；u
g,i
为0
‑
1变量，表示发电机组处于运行状态；w
g,t
为0
‑
1变量，表示发电机组处于关机状态；ru
g
为最大爬坡功率；rd
g
为最大下坡功率；p
g,t
为发电机组的出力值。tu
g
和td
g
分别是机组的最小在线时间和最小离线时间。
[0104]
4.无功补偿装置约束
[0105]
无功补偿装置包括并联无功补偿电容器以及投切电抗器等，其最大最小值约束如下：
[0106][0107]
并联电容/电抗器组的动作次数的上、下限约束：
[0108][0109]
式中：为节点i处电容/电抗器组的动作次数上限。
[0110]
由于含有绝对值的约束无法直接调用cplex求解，因此采用等价转化的方法对约
束进行处理：
[0111]
0≤z
i，t
‑
(y
i，t
‑
y
i，(t+1)
)≤mδ
i1，t
[0112]
0≤z
i，t
‑
(y
i，(t+1)
‑
y
i，t
)≤mδ
i2，t
[0113]
δ
i1，t
+δ
i2，t
≤1
[0114][0115]
引入3个辅助变量分别为z
i,t
，δ
i1,t
，δ
i2,t
，其中z
i,t
为整数变量，δ
i1,t
和δ
i2,t
为0
‑
1变量。z
i,t
表示无功设备从t时刻到(t+1)时刻的动作次数，若t时刻到t+1时刻投切无功设备的组数发生变化，则z
i,t
表示投切组数的变化数目，如果投切组数不发生变化，则z
i,t
＝0，m取值要大于等于y
imax
。
[0116]
δ
i1,t
和δ
i2,t
与y
i,t
和y
i,t+1
有如下关系：
[0117][0118]
通过输电网电压控制层的控制合理安排机组每个小时的启停计划，同时为应对负荷扰动和可再生能源的波动留有足备用功率。
[0119]
步骤s104，多时间尺度的双层有、无功联合调度模型：考虑各调度资源的响应时间特性，构建多时间尺度双层电压控制模型，通过日前前瞻调度与日内滚动优化相结合，实现输电网电压的控制。
[0120]
上层控制模型以经济最优为目标，在慢时间尺度上求解多目标函数下的经济最优问题，保证机组和储能设备出力的经济性；下层控制模型为电压控制层，在快时间尺度上控制区域的电压偏差最小，同时保证控制量与上层控制模型的控制偏差最小，保证运行的安全性。
[0121]
上层控制目标为发电成本最小，同时电压偏差量最小，上层控制模型时间分辨率为1h，其目标函数如下：
[0122][0123]
其中，c
e
为机组成本函数；c
bess
为储能设备的成本，c
q
为无功补偿装置的成本。α为电压偏差系数，u
j
为中枢母线i的电压值，u
ref
为电压的参考值。
[0124]
上层约束条件包括发电机组出力约束、储能设备出力约束、潮流约束、安全运行约束，已在s102中给出。
[0125]
下层控制模型为日内滚动时窗优化，采用模型预测控制的方法，优化的目标函数为电压偏差最小与控制设备的有功无功调节量最小。下层控制模型时间分辨率为5min，下层控制目标函数如下：
[0126][0127]
其中，w
p
为电压偏差的权重系数，u
n
为各节点电压；δp
gen，i
，δq
gen，i
为发电机组的有功与无功相比于日前调度层的出力变化量，pt为控制时域时窗的大小。
[0128]
下层约束条件如下：
[0129]
电压范围安全约束
[0130]
u
n，min
≤u
n
(k+l|k)≤u
n，max
[0131]
其中，u
n，min
和u
n，max
为节点n处的最大电压与最小电压，u
n
(k+l|k)表示在优化时窗k到k+l范围内，各节点电压均满足安全约束。
[0132]
发电机出力与储能设备出力变化量约束
[0133]
δp
gen，i，min
≤δp
gen，i
(k+l|k)≤δp
gen，i，max
[0134]
δq
gen，i，min
≤δq
gen，i
(k+l|k)≤δq
gen，i，max
[0135]
δp
bess，i，min
≤δp
bess，i
(k+l|k)≤δp
bess，i，max
[0136]
δq
bess，i，min
≤δq
bess，i
(k+l|k)≤δq
bess，i，max
[0137]
其中，δp
gen，i
，δq
gen，i
为发电机组的有功与无功相比于日前调度层的出力变化量，δp
bess，i
，δq
bess，i
为储能设备的有功与无功相比于日前调度层的出力变化量。
[0138]
功率变化量平衡约束
[0139][0140][0141]
其中，δp
d
和δq
d
为日内负荷有功与无功相比于日前调度层的变化量，δp
w
，δq
w
为风电机组的有功无功变化量。
[0142]
其余约束条件和上层模型相同，注意日内机组只参与电压调整，其启停不受影响；无功补偿设备不参与日内模型。
[0143]
下层滚动优化每5min优化一次，预测时域pt＝5，控制时域mt＝5，滚动优化的步骤如下：1.在t时刻求解[t,t+pt
‑
1]时段的下层电压控制问题，使电压尽量接近参考电压，同时有、无功出力的变化量尽量小；2.输出预测时域时刻t的有、无功分配量；3.更新系统数据，包括当前机组有、无功出力值以及负荷波动和可再生能源出力波动预测值；4.令t＝t+1，重复步骤1到3。
[0144]
由此形成了电压双层控制的方法：上层为经济分配层，在慢时间尺度上求解多约束条件下的含电压控制的经济最优问题，保证了各设备出力的经济性。下层为电压控制层，在快时间尺度上调节各设备出力应对功率扰动，保障电力系统电压在安全范围内。
[0145]
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。